DE19842231C1 - Meßvorrichtung zur Bestimmung des Gesamtanzugsmoments, des Kopfreibungsmoments und der Vorspannkraft einer angezogenen Schraubverbindung - Google Patents
Meßvorrichtung zur Bestimmung des Gesamtanzugsmoments, des Kopfreibungsmoments und der Vorspannkraft einer angezogenen SchraubverbindungInfo
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Abstract
Eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Bestimmung des Gesamtanzugsmoments M¶A¶, des Kopftreibungsmoments M¶K¶ und der Vorspannkraft F¶V¶ einer angezogenen und in einem Kraft/Moment-Aufnehmer (1) gehalterten Schraubverbindung durch Messung resultierender Spannungen mittels Dehnungsmeßstreifen (40, 50, 50a, 60), die am Kraft/Moment-Aufnehmer (1) so angeordnet sind, daß sie zumindest jeweils eine Meßstelle (4, 5, 5a, 6) zur Bestimmung von M¶A¶, M¶K¶ oder F¶V¶ abhängigen Spannungen bildet, zeichnet sich dadurch aus, daß die Meßstelle (5, 5a) für die vom Kopftreibungsmoment M¶K¶ abhängige Torsionsspannung bzw. Biegespannung durch mechanische Mittel (17, 18) von einem Einfluß der von der axialen Vorspannkraft F¶V¶ abhängigen Druckspannung entkoppelt ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein Übersprechen einer Meßgröße in die Meßstelle der jeweils anderen Meßgröße insoweit verhindert, als daß eine erhöhte Meßgenauigkeit erzielbar ist, durch die einerseits das Kopftreibungsmoment M¶K¶ genauer bestimmbar und andererseits eine besser gesicherte Aussage über Qualität und Zuverlässigkeit der Schraubenverbindung ermöglicht ist. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für einen Einsatz in der Qualitätssicherung, insbesondere in der Automobilindustrie. Überschraubmomente von selbsthemmenden Muttern sind ein weiteres Anwendungsgebiet, ebenso Wareneingangskontrolle und Forschung und Entwicklung.
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des Gesamt
anzugsmoments MA, des Kopfreibungsmoments MK und der Vorspannkraft
FV einer angezogenen und in einem Kraft/Moment-Aufnehmer gehalterten
Schraubverbindung durch Messung resultierender Spannungen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannt ist aus der Fachliteratur, beispielsweise aus Dubbel, Taschenbuch
für den Maschinenbau, 14. Aufl. 1981, S. 374 ff., daß das wesentliche
Merkmal einer Schraubverbindung, welche beispielsweise zwei Bauteile wie
Platten oder Flansche verspannt, das ineinandergreifende Gewinde eines
Schraubenbolzens mit dem Innengewinde einer Mutter bzw. eines Bauteils
ist. Die Drehung wenigstens eines der Teile führt zu deren Verschiebung
relativ zueinander entlang einer gemeinsamen Achse, der Schraubenachse.
Die relative Längsbewegung und die relative Drehbewegung eines Teiles (z.
B. der Mutter) gegenüber einem anderen Teil (z. B. dem Schraubenbolzen)
sind einander proportional. Wird durch Weiterdrehen die Schraubverbindung
angezogen, dann entsteht im Schraubenbolzen eine Zugkraft (Zugspannung),
die mitunter auch als Vorspannkraft bezeichnet wird, und eine gleich hohe
Druckkraft (Druckspannung) zwischen den Bauteilen. Dadurch längt sich der
Schraubenbolzen etwas und die Platten werden in einem durch den sog.
"Rötscher-Kegel" begrenzten Bereich zusammengepreßt. Man spricht von
einer elastischen Nachgiebigkeit in der Schraubverbindung.
Beim Drehen der Teile muß ein mit der Zugkraft FV steigendes Gewinderei
bungsmoment MG und ein Kopfreibungsmoment MK überwunden werden.
Das Gewindereibungsmoment MG resultiert aus den formschlüssig gegenein
ander gleitenden Wirkflächen, den sog. Schraubenflächen (meist Regelflächen)
der beiden Teile. Das Kopfreibungsmoment MK resultiert aus der Reibung
der aufeinandergleitenden Flächen unter der Mutter bzw. unter dem Schrau
benkopf, je nachdem, welches Teil beim Anziehen der Schraubverbindung
gedreht wird. Das gesamte, beim Anziehen der Schraubverbindung aufge
brachte Anzugsmoment MA setzt sich additiv aus den Reibungsmomenten
MG und MK zusammen und ist damit abhängig von Vorspannkraft FV und
Reibungszahlen, wobei letztere natürlich werkstoffabhängig sind.
Eine Berechnung des häufig nicht direkt meßbaren Gewindereibungsmomentes
MG bereitet insofern Schwierigkeiten, als daß teilweise die meßbaren Para
meter, nämlich MA, MK und FV, insbesondere jedoch das Kopfreibungs
moment MK, mittels bekannter Meßvorrichtungen nicht hinreichend genau er
mittelbar sind. Damit ist eine gesicherte Aussage über Qualität und Zuver
lässigkeit einer Schraubverbindung erschwert, was insbesondere in der
Automobilindustrie, die nach internationalen Normen und Hausnormen arbei
tet, hinderlich ist.
Ein Meßgerät zur Bestimmung des Gesamtanzugsmoments MA, des Kopfrei
bungsmoments MK und der Vorspannkraft FV ist beispielsweise aus der DE
25 21 428 C2 bekannt. Das Meßgerät besteht aus einem im wesentlichen
zylindrischen Gehäuse mit einer parallel zur Zylinderachse des Gehäuses
orientierten unteren Grundplatte. An einem ersten Ende weist das Gehäuse
einen mit einer Innenschulter versehenen Innenflansch auf. An der Innen
schulter ist der Außenring eines Kugellagers befestigt. Am gegenüberliegen
den zweiten Ende des Gehäuses ist ein einen Innenflansch darstellender
Stahlring angeschraubt, der in einer oberen Ausnehmung den Außenring
eines weiteren Kugellagers aufnimmt, der mit einem angeformten, ringförmi
gen Abschnitt in das Gehäuse hineinragt. Eine Einspannhülse ist nahe ihrer
beiden Stirnenden über die Kugellager und reibungsarm im Gehäuse drehbar
gelagert, wobei sie jedoch über zwei diametral vom Umfang der Einspann
hülse abragende, biegeelastische Arme am gehäusefesten Stahlring gefesselt
ist. Die Arme weisen an ihrem der Einspannhülse benachbarten Ende eine
Querschnittsverminderung auf. Die freien Enden der Arme sind jeweils über
einen zylindrischen Stift an den Ring angelenkt. Bei einer Verdrehung der
Einspannhülse aufgrund des Anziehens der Schraubverbindung innerhalb des
Stahlringes können die Arme um die als Gelenkachsen wirkenden Stifte
reibungsarm schwenken.
Die zu prüfende Schraubverbindung wird über Einsatzstücke in die Einspann
hülse, welche in ihrem mittleren Bereich als verhältnismäßig dünnwandige
Torsionszelle ausgebildet ist, eingespannt. Im als Torsionszelle ausgebildeten
Bereich der Einspannhülse werden mittels wenigstens zweier, außen ange
brachter Sätze von Dehnungsmeßstreifen die vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige Torsionsspannung und die von der axialen Vorspannkraft FV
abhängige Druckspannung in der Einspannhülse gemessen, deren Betrag der
interessierenden Zugspannung in der Schraubverbindung entspricht. Das
gesamte beim Anziehen der Schraubverbindung aufgebrachte Anzugsmoment
MA tritt als Biegespannung im Bereich der biegeelastischen Arme auf und
wird durch zusätzlich in den Querschnittsverminderungen der Arme angeord
neten Dehnungsmeßstreifen erfaßt. Das Gewindereibungsmoment MG läßt sich
aus der Differenz des Gesamtanzugsmomentes MA und des Kopfreibungs
momentes MK berechnen.
Während des Anziehens der Schraubverbindung tritt eine Verformung der
Einspannhülse auf. Die Gesamtverformung der Einspannhülse besteht aus
einer reinen Stauchung (Druckspannung) und einer reinen Scherung (Tor
sionsspannung), welche durch folgende Winkelbedingungen beschrieben
werden können: Die Stauchung (Druckspannung) kann durch zwei unter 90°
zueinander gelegene Dehnungsmeßstreifen, wobei einer parallel und der
andere quer zur Längsachse der Einspannhülse angeordnet ist, vollständig
erfaßt werden. Die Scherung (Torsionsspannung) kann durch zwei unter 90°
zueinander gelegene und zur Längsachse der Einspannhülse um 45° geneigte
Dehnungsmeßstreifen vollständig erfaßt werden. Die Einspannhülse ist entlang
ihrer Längsachse durch die Vorspannkraft FV gestaucht und senkrecht dazu
durch MK/R geschert, wobei R der Radius der Einspannhülse ist, der als
groß gegenüber ihrer Wandstärke D angenommen wird.
Die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionspannung hat keine
weitere Stauchung (Druckspannung) entlang der Längsachse der Einspann
hülse zur Folge. Ebenso führt die axiale Stauchung (Druckspannung) nicht
zu einer weiteren Scherung (Torsionsspannung).
Allerdings findet ein sogenanntes Übersprechen (Störgröße) der einen Meß
größe in die andere und umgekehrt statt. Insbesondere sind die auf der
letzlich wie eine Feder wirkenden torsions- und druckelastischen Einspann
hülse aufgebrachten Sätze von Dehnungsmeßstreifen sowohl der vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung als auch der von der axialen
Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung ausgesetzt. Da die zuvor be
schriebenen Winkelbedingungen, insbesondere bei der Anbringung der Deh
nungsmeßstreifen, nicht immer zuverlässig eingehalten werden können, erfas
sen die Dehnungsmeßstreifen beispielsweise für die vom Kopfreibungsmoment
MK abhängige Torsionsspannung einen kleinen Anteil der von der axialen
Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung ebenso mit wie umgekehrt.
Maßgeblich für die Stauchung (Druckspannung) der Einspannhülse und die
Längung (Zugspannung) des Schraubenbolzens unter der Vorspannkraft FV
sind ihre tragenden Querschnitte und die Elastizitätsmoduln ihrer Werkstoffe.
Der Elastizitätsmodul des Schraubenbolzens ist in der Regel derselbe wie der
der Einspannhülse; beide bestehen vorzugsweise aus Stahl. Der tragende
Querschnitt der Einspannhülse ist möglichst klein gewählt im Interesse einer
gut meßbaren, großen Stauchung (Druckspannung). Der tragende Querschnitt
des Schraubenbolzens ist im Interesse der Materialersparnis ebenfalls klein.
Die Untergrenze der tragenden Querschnitte wird festgelegt durch die Forde
rung, daß keine bleibende Verformung im Betrieb auftreten darf. Diese
Forderung gilt für Einspannhülse und Schraubverbindung gleichermaßen.
Daher sind die die Vorspannkraft FV tragenden Querschnitte beim Schrau
benbolzen und bei der Einspannhülse im wesentlichen gleich groß.
Anders ist die Situation bei der Torsionsverformung. Zwar sind auch hier
die elastischen Werkstoffkennwerte, nämlich die Schubmoduln, identisch.
Außerdem ist der Schraubenbolzen so ausgelegt, daß annähernd die maximal
zulässige Torsionsverformung auftritt. Maßgeblich für die Torsionsverformung
ist jedoch, neben dem Schubmodul und dem Betrag des tragenden Quer
schnitts, dessen Radius in bezug auf die Drehachse, d. h. die Schraubenach
se bzw. Längsachse der Einspannhülse, und dieser ist bei der Einspannhülse
zwangsläufig erheblich größer als bei dem Schraubenbolzen, da erstere den
letzteren koaxial umschließt. Daher ist bei der Einspannhülse die Torsions
verformung erheblich kleiner als im Schraubenbolzen. Ein elektrisches Aus
gangssignal (Nutzgröße) des zugehörigen Dehnungsmeßstreifens ist folglich
deutlich kleiner als das für die Stauchung (Druckspannung), oder anders
ausgedrückt, deutlich empfindlicher gegenüber dem Übersprechen (Störgröße)
anderer Meßgrößen. So beträgt beispielsweise nach der DE 25 21 428 C2
das Verhältnis der Meßsignale (Nutzgrößen) für die vom Kopfreibungsmo
ment MK abhängige Torsionsspannung etwa nur 1/5 bis 1/3 desjenigen für
die von der Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung. Durch die relativ
kleine Torsionsverformung, die zu einem kleinen Meßsignal (Nutzgröße) für
die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung führt, und
die gleichzeitig anliegende axiale Vorspannkraft FV, die in einer großen
Stauchung (Druckspannung) resultiert, erfolgt durch das Übersprechen (Stör
größe) der Meßgrößen eine gravierende Verfälschung des Meßsignals (Nutz
größe) der Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung.
Umgekehrt ist allerdings aufgrund der geschilderten Verhältnisse eine Verfäl
schung der Meßgröße (Nutzgröße) für die von der Vorspannkraft FV ab
hängige Druckspannung durch Übersprechen (Störgröße) der vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung in die Meßstelle für die
Vorspannkraft FV sehr gering und ohne Bedeutung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, daß insbesondere das Kopfreibungsmoment MK
bzw. die davon abhängige Torsionsspannung mit einer erhöhten Meßgenau
igkeit bestimmbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vor
teilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Unter
ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Bestimmung des Gesamtanzugs
moments MA, des Kopfreibungsmoments MK und der Vorspannkraft FV
einer angezogenen und in einem Kraft/Moment-Aufnehmer gehalterten
Schraubverbindung durch Messung resultierender Spannungen, insbesondere:
- - einer vom Gesamtanzugsmoment MA abhängigen Biegespannung über wenigstens eine Meßstelle;
- - einer vom Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung bzw. Biegespannung über wenigstens eine Meßstelle; sowie
- - einer von der axialen Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung über wenigstens eine Meßstelle;
mittels Dehnungsmeßstreifen, die am Kraft/Moment-Aufnehmer so angeordnet
sind, daß sie zumindest jeweils eine der Meßstellen zur Bestimmung der von
MA, MK oder FV abhängigen Spannungen bilden, zeichnet sich dadurch aus,
daß die Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Tor
sionsspannung bzw. Biegespannung durch mechanische Mittel von einem
Einfluß der von der axialen Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung
entkoppelt ist.
Durch das Vorsehen von Mitteln zur mechanischen Entkopplung wird in
vorteilhafter Weise ein Übersprechen (Störgröße) einer Meßgröße in die
Meßstelle der jeweils anderen Meßgröße weitestgehend verhindert und eine
erhöhte Meßgenauigkeit, insbesondere für das Kopfreibungsmoment MK,
erzielt, so daß einerseits das Gewindereibungsmoment MG genauer bestimm
bar und dadurch eine besser gesicherte Aussage über Qualität und Zuver
lässigkeit einer Schraubverbindung ermöglicht und andererseits die Schraub
verbindung so auslegbar ist, daß Risiken hinsichtlich einer Lockerung bzw.
eines Lösens der Schraubverbindung unter Betriebslast besser auszuschließen
sind. Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich hierbei nicht nur auf
die Qualitätssicherung, sondern auch z. B. auf Wareneingangskontrolle und
Forschung und Entwicklung, vorzugsweise in der Automobilindustrie.
Erfindungsgemäß bevorzugt zeichnet sich ein Kraft/Moment-Aufnehmer,
welcher eine torsions- und druckelastische zylindrische zentrale Einspannhülse
aufweist, auf der wenigstens eine Meßstelle für die vom Kopfreibungsmo
ment MK abhängige Torsionsspannung und wenigstens eine Meßstelle für die
von der axialen Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung angeordnet ist,
dadurch aus, daß die Mittel zur Entkopplung der Meßstelle für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung wenigstens teilweise
die Druckspannungen in der Einspannhülse aufheben beziehungsweise die
Torsionsspannungen kanalisieren.
Zur Entkopplung der Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige Torsionsspannung wird beispielsweise vorgeschlagen, daß wenig
stens ein benachbart zu dieser in der zentralen Einspannhülse eingebrachter
und sich zu deren Längsachse quer, vorzugsweise etwa rechtwinklig, erstrec
kender Entlastungsschlitz vorgesehen ist, welcher in vorteilhafter Weise
wenigstens teilweise die Druckspannungen in der Einspannhülse aufhebt.
Die Entkopplung kann vorzugsweise dadurch verstärkt werden, daß zusätzlich
zum Entlastungsschlitz wenigstens eine, benachbart zur entkoppelten Meß
stelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung in
der zentralen Einspannhülse eingebrachte und sich zu deren Längsachse in
etwa parallel erstreckende im wesentlichen rechteckförmige Entlastungsaus
nehmung vorgesehen ist.
Eine weitere Steigerung der Entkopplungswirkungen wird vorzugsweise da
durch erreicht, daß ein zweiter Entlastungsschlitz benachbart zur Meßstelle
für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung vorgese
hen ist, welcher im wesentlichen parallel zum ersten Entlastungsschlitz
angeordnet ist, wobei wie bei Längsseiten eines Rechteckes die Länge der
Entlastungsschlitze größer als ihr Abstand voneinander ist, vorzugsweise
wenigstens eineinhalb mal so groß, insbesondere doppelt so groß, so daß
zwischen den Entlastungsschlitzen ein stegförmiger Abschnitt ausgebildet
ist.
Zur Vergrößerung der Torsionsverformung im Bereich der Meßstelle für die
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung wird vorgeschla
gen, daß der stegförmige Abschnitt eine geringere Wandstärke bzw. Materi
aldicke d aufweist als die übrige Wandstärke D der zentralen Einspannhülse.
Zur gezielten Übertragung bzw. Einleitung der Torsionsspannung in den
stegförmigen Abschnitt wird vorgeschlagen, daß wenigstens ein Entlastungs
schlitz und wenigstens eine Entlastungsausnehmung, vorzugsweise zwei sich
gegenüberliegende Entlastungsausnehmungen, in etwa rechtwinklig so zuein
ander berührungsfrei angeordnet sind, daß dazwischen eine schmale Zunge,
vorzugsweise zwei schmale Zungen, ausgebildet sind, die den stegförmigen
Abschnitt mit der übrigen Einspannhülse verbinden, wobei die schmalen
bzw. dünnen Zungen in vorteilhafter Weise durch die Entlastungsausnehmun
gen von den Einflüssen einer von der Vorspannkraft FV abhängigen Druck
spannung maximal befreit sind.
In einer einfachsten Ausführungsform sind die der Meßstelle für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung zugewandten Seiten der
Entlastungsausnehmungen vorzugsweise als Gerade ausgebildet.
Zur Vergrößerung der Torsionsverformung im Bereich der Meßstelle für die
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung ggf. unter Beibe
haltung der Materialdicke D wird vorgeschlagen, daß die der Meßstelle für
die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung zugewandten
Seiten der Entlastungsausnehmungen so erweitert ausgebildet sind, daß der
stegförmige Abschnitt wenigstens im Bereich der Meßstelle für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung eine lokale Einschnü
rung aufweist, wobei vorzugsweise die seitliche Erweiterung der Entlastungs
ausnehmungen im mittleren Bereich der der Meßstelle für die vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Torsionsspannung zugewandten Seiten der Entla
stungsausnehmungen ausgebildet und kreissegmentförmig oder dreieckförmig
oder einer sonstigen geometrischen Form nachgebildet ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind auf der zentralen Einspannhülse die Meß
stelle zur Ermittlung einer von der Vorspannkraft FV abhängigen Druckspan
nung und die hiervon mechanisch entkoppelte Meßstelle zur Ermittlung einer
vom Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung wechselnd und
gleichmäßig voneinander beabstandet, vorzugsweise jeweils zwei paar Meß
stellen wechselnd und unter einem Winkel von 90° zueinander, angeordnet.
Eine alternative Formgebung eines Kraft/Moment-Aufnehmers mit einer tor
sions- und druckelastischen zylindrischen zentralen Einspannhülse, auf der
lediglich die Meßstellen für die von der axialen Vorspannkraft FV abhängige
Druckspannung angeordnet sind, zeichnet sich erfindungsgemäß bevorzugt
dadurch aus, daß die Meßstellen für die vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige Torsionsspannung auf einer äußeren Hülse, welche die zentrale
Einspannhülse koaxial umschließt, angeordnet sind, die über Mittel zur
zusätzlichen mechanischen Entkopplung der Meßstellen für die vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Torsionsspannung von der von der axialen Vor
spannkraft FV abhängigen Druckspannung mit der zentralen Einspannhülse
insbesondere spielfrei verbunden ist, wobei die Mittel in vorteilhafter Weise
druckelastisch und torsionssteif sind.
Zur mechanischen Entkopplung wenigstens einer auf der äußeren Hülse
angeordneten Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung und der zentralen Einspannhülse, an der die Kräfte und
Momente primär angreifen, und die an ihrem einen Stirnende einen ersten,
vorzugsweise zylindrischen, Flansch und am gegenüberliegenden Stirnende
einen zweiten, vorzugsweise rechteckförmigen, Flansch aufweist, ist erfin
dungsgemäß bevorzugt zwischen der äußeren Hülse und der zentralen Ein
spannhülse wenigstens eine druckelastische torsionssteife kreisförmige Mem
brane angeordnet.
Zur druckelastischen und torsionssteifen Halterung der äußeren Hülse an der
zentralen Einspannhülse wird vorgeschlagen, daß die äußere Hülse ein beid
seitig offener Zylinder ist, dessen beide Enden jeweils einen Innenflansch
aufweisen, wobei zwischen sich gegenüberliegenden Flanschen von zentraler
Einspannhülse und äußerer Hülse jeweils eine kreisförmige Membrane an
geordnet ist.
Alternativ hierzu weist die äußere Hülse eine vorzugsweise topfartige Form
auf, mit einem benachbart zur Außenkante ihrer offenen Seite angeformten
Innenflansch und einer kreisförmigen Bodenplatte mit einem Loch, durch das
sich die zentrale Einspannhülse hindurch erstreckt, so daß bodenseitig die
äußere Hülse über die Bodenplatte am zweiten, vorzugsweise rechteckförmi
gen, Flansch der zentralen Einspannhülse und an ihrer offenen Seite über
eine zwischen den sich gegenüberliegenden Flanschen von zentraler Einspann
hülse und äußerer Hülse angeordnete kreisförmige Membrane druckelastisch
und torsionssteif gehaltert ist.
Zur Mimimierung eines Übersprechens der von der Vorspannkraft FV
abhängigen Druckspannung in eine Meßstelle für die vom Kopfreibungs
moment MK abhängige Torsionsspannung wird vorgeschlagen, daß die
kreisförmige Membrane wenigstens eine umlaufende Sicke aufweist.
Alternativ zu einer Membrane wird vorgeschlagen, daß zur mechanischen
Entkopplung der Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung zwischen der äußeren Hülse und der zentralen Einspann
hülse wenigstens ein druckelastischer torsionssteifer Balg oder Kompensator
vorgesehen ist, welcher vorzugsweise zwischen dem ersten, vorzugsweise
zylindrischen, Flansch und der auf der äußeren Hülse angeordneten Meß
stelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung an
geordnet ist.
Alternativ zur einer Membrane oder einem ersten Balg bzw. Kompensator
wird vorgeschlagen, daß ein zweiter druckelastischer torsionssteifer Balg oder
Kompensator vorgesehen ist, der vorzugsweise zwischen der Meßstelle für
die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung und einer mit
dem zweiten, vorzugsweise rechteckförmigen, Flansch verbundenen kreisför
migen Platte angeordnet ist.
Zur Mimimierung eines Übersprechens der von der Vorspannkraft FV
abhängigen Druckspannung in eine Meßstelle für die vom Kopfreibungs
moment MK abhängige Torsionsspannung wird vorgeschlagen, daß der oder
die Bälge oder Kompensatoren wenigstens eine umlaufende Welle aufweisen.
Äußere Hülse, Membran, Balg bzw. Kompensator und/oder zentrale Ein
spannhülse sind vorzugsweise durch bekannte Verbindungstechniken, ins
besondere durch Verschrauben und/oder Verschweißen, miteinander starr
bzw. spielfrei verbindbar.
Eine weitere mechanische Entkopplung der Meßstelle für die vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Torsionsspannung von der von der axialen Vor
spannkraft FV abhängige Druckspannung erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt
durch geeignete Wahl einer geometrischen Anordnung der Meßstelle für die
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung auf der äußeren
Hülse, insbesondere durch Wahl einer Länge L des Meßstellenbereiches für
die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung auf der
äußeren Hülse, eines Radius R der äußeren Hülse, und einer Stärke d der
äußeren Hülse (17) im Bereich der Meßstelle für die vom Kopfreibungs
moment MK abhängige Torsionsspannung, wobei zur Vergrößerung einer
Torsionsverformung die Wandstärke d der äußeren Hülse im Bereich der
Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung
vorzugsweise geringer ist als die übrige Wandstärke D der äußeren Hülse.
Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit der auf der äußeren Hülse angeord
neten Meßstellen für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsions
spannung wird vorgeschlagen, daß die äußere Hülse zusätzlich radiale
Bohrungen aufweist.
Alternativ und/oder kumulativ wird vorgeschlagen, daß benachbart zu der auf
der äußeren Hülse angeordneten Meßstelle wenigstens ein Entlastungsschlitz
und/oder wenigstens eine Entlastungsausnehmung analog einer der Ansprüche
3 bis 10 vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind die Meßstellen zur Ermittlung einer von der
Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung auf der zentralen Einspannhülse
und die hiervon mechanisch entkoppelte Meßstelle zur Ermittlung einer vom
Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung auf der äußeren
Hülse relativ zueinander wechselnd, vorzugsweise paarweise wechselnd, d. h.
vorzugsweise jeweils zwei Paar Meßstellen wechselnd und unter einem
Winkel von 90° relativ zueinander, angeordnet.
Zur Plazierung von geeigneten Dehnungsmeßstreifen in die Meßstellen für
eine von der Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung wird vorgeschla
gen, daß die äußere Hülse jeweils über den auf der zentralen Einspannhülse
angeordneten Meßstellen für die von der Vorspannkraft FV abhängige Druck
spannung eine Ausnehmung aufweist, die in ihren Maßen jedenfalls so
bemessen ist, daß die Dehnungsmeßstreifen auf der zentralen Einspannhülse
plaziert werden können und dennoch eine Weiterleitung bzw. Einleitung der
vom Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung in die dafür
vorgesehene Meßstelle auf der äußeren Hülse gewährleistet ist.
Ein erfindungsgemäß bevorzugter alternativer Kraft/Moment-Aufnehmer mit
einer torsions- und druckelastischen zylindrischen zentralen Einspannhülse,
auf der lediglich die Meßstellen für die von der axialen Vorspannkraft FV
abhängige Druckspannung angeordnet sind, wobei die zentrale Einspannhülse
an ihrem einen Stirnende einen ersten, vorzugsweise zylindrischen, Flansch
und am gegenüberliegenden Stirnende einen zweiten, vorzugsweise recht
eckförmigen Flansch aufweist, zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch
aus, daß am zweiten Flansch zwei diametral angeordnete Verbindungsarme
einstückig angeformt sind, an denen eine äußere zylindrische Hülse so
angeordnet ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsions
spannung so über eine druckelastische torsionssteife Membran und/oder
wenigstens einen Balg oder Kompensator sowie über die äußere Hülse auf
die Verbindungsarme einwirkt, daß auf wenigstens einem Verbindungsarm in
wenigstens einer Meßstelle mit geeigneten Dehnungsmeßstreifen eine vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung meßbar ist.
Dabei zeichnet sich die äußere Hülse mit einer einfachen Bauweise ins
besondere dadurch aus, daß die äußere Hülse in allen Bereichen vorzugs
weise eine in etwa gleichmäßige Materialdicke D aufweist.
Die Kraft/Moment-Aufnehmer nach der Erfindung mit einer torsions- und
druckelastischen zylindrischen zentralen Einspannhülse, die drehbar in einem
Gehäuse abgestützt ist, wobei die Abstützung der Einspannhülse im Gehäuse
an einem Stirnende, vorzugsweise an dem Stirnende, an dem der zweite,
vorzugsweise rechteckförmige, Flansch angeformt ist, über zwei diametral
von der Einspannhülse abragende biegeelastische Arme erfolgt, zeichnen sich
dadurch aus, daß auf den biegelastischen Armen wenigstens eine, vorzugs
weise jeweils eine, d. h. auf jedem Arm wenigstens eine Meßstelle für die
vom Gesamtanzugsmoment MA abhängige Biegespannung vorgesehen ist, was
in vorteilhafter Weise gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten
Lösungen ein erleichtertes Messen der vom Gesamtanzugsmoment MA ab
hängigen Biegespannung darstellt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden
anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnung
beschrieben:
Es zeigen:
Fig. 1 schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische zentrale
Einspannhülse eines Kraft/Moment-Aufnehmers in perspektivischer
Darstellung, auf der wenigstens eine Meßstelle für eine vom Kopf
reibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung und wenigstens
eine Meßstelle für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängi
ge Druckspannung angeordnet ist;
Fig. 2 schematisiert einen abgewickelten Ausschnitt einer auf der zentralen
Einspannhülse nach Fig. 1 angeordneten Meßstelle für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung;
Fig. 3 schematisiert einen insgesamt abgewickelten Abschnitt der zentralen
Einspannhülse nach Fig. 1 mit wechselnd angeordneten Meßstellen
für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung
und von der Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel wie in Fig. 2;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel wie in Fig. 2;
Fig. 6 schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische zentrale
Einspannhülse eines Kraft/Moment-Aufnehmers, auf der wenigstens
eine Meßstelle für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängi
ge Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse
koaxial umgeben ist, auf der wenigstens eine Meßstelle für eine
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung angeord
net ist, welche durch eine druckelastische torsionssteife Membran
entkoppelt ist;
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel wie in Fig. 6, wobei die Meß
stelle für eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsions
spannung durch zwei druckelastische torsionssteife Membranen
entkoppelt ist;
Fig. 8 schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische zentrale
Einspannhülse eines Kraft/Moment-Aufnehmers, auf der wenigstens
eine Meßstelle für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängi
ge Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse
koaxial so umgeben ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige Torsionsspannung so über eine druckelastische torsions
steife Membran und über die äußere Hülse auf zwei Verbindungs
arme einwirkt, daß insbesondere auf den Seitenflächen der Ver
bindungsarme in wenigstens einer Meßstelle eine vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Biegespannung meßbar ist;
Fig. 9 schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische zentrale
Einspannhülse eines Kraft/Moment-Aufnehmers, auf der wenigstens
eine Meßstelle für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängi
ge Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse
koaxial umgeben ist, auf der wenigstens eine Meßstelle für eine
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung angeord
net ist, welche durch wenigstens einen druckelastischen torsions
steifen Balg oder Kompensator entkoppelt ist; und
Fig. 10 schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische zentrale
Einspannhülse eines Kraft/Moment-Aufnehmers, auf der wenigstens
eine Meßstelle für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängi
ge Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse
koaxial so umgeben ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige Torsionsspannung so über wenigstens einen druckelasti
schen torsionssteifen Balg bzw. Kompensator und über die äußere
Hülse auf zwei Verbindungsarme einwirkt, daß insbesondere auf
den Seitenflächen der Verbindungsarme in wenigstens einer Meß
stelle eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung
meßbar ist.
Fig. 1 zeigt schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse 7 eines Kraft/Moment-Aufnehmers 1 in perspektivi
scher Darstellung, auf der wenigstens eine Meßstelle 5 für eine vom Kopf
reibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung und wenigstens eine Meß
stelle 6 für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung
angeordnet sind. Die zentrale Einspannhülse 7 weist zwei Stirnenden auf. An
einem Stirnende ist ein erster, vorzugsweise ein kreisförmiger bzw. zylin
drischer Flansch 22 mit einer Durchgangsöffnung 30 zur Einführung eines
Schraubenbolzens 2 angeformt. Am anderen Stirnende ist ein zweiter,
vorzugsweise ein rechteckförmiger, Flansch 23 mit zwei diametral vom Um
fang abragenden, biegeelastischen Armen 28, 29 angeformt, die einstückig
am zweiten Flansch 23 angeformt sind. Flansch 23 besitzt, ebenso wie der
erste Flansch 22, in seinem Zentrum längsmittig eine Durchgangsöffnung 30,
durch die das freie Ende 2a des Schraubenbolzens 2 so geführt und mit
einer Mutter 3 fest verschraubt wird, daß der Schraubenkopf 2b des Schrau
benbolzens 2 am ersten Flansch 22 anliegt. Zur Aufnahme von radialen
Kräften ist der erste, vorzugsweise zylindrische, Flansch 22 in einem nicht
dargestellten äußeren Gehäuse wälzgelagert. Über den zweiten, vorzugsweise
rechteckförmigen, Flansch 23 wird das gesamte, beim Anziehen der Schraub
verbindung (2, 3) aufgebrachte Anzugsmoment MA über die beiden biegee
lastischen Arme 28, 29 ebenfalls in das Gehäuse abgeleitet.
Für die Messung einer von Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsions
spannung ist, etwas vergrößert dargestellt, auf der zentralen Einspannhülse
7 wenigstens eine Meßstelle 5 vorgesehen. Bevorzugt sind zwei gleichartige,
um 180° gegeneinander auf dem Umfang der Einspannhülse 7 versetzt
angeordnete Meßstellen 5 für eine Messung der vom Kopfreibungsmoment
MK abhängigen Torsionsspannung vorgesehen. Die dazu in einer Meßstelle
5 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 50 sind in einem Winkel von 90°
zueinander versetzt angeordnet. Zur Längsachse 8 der Einspannhülse 7
beträgt der Winkel der Dehnungsmeßstreifen 50 jeweils 45°.
Eine weitere Meßstelle 6 dient der Messung einer von der axialen Vor
spannkraft FV abhängigen Druckspannung und ist ebenfalls auf der zentralen
Einspannhülse 7 angeordnet. In der Meßstelle 6 sind zwei Dehnungsmeß
streifen 60 angeordnet, wobei ein Dehnungsmeßstreifen parallel und der
andere quer zur Längsachse 8 der zentralen Einspannhülse 7 angeordnet ist.
Für die Messung einer vom Gesamtanzugsmoment MA abhängigen Biege
spannung ist auf den beiden vorzugsweise quaderförmig ausgebildeten biegee
lastischen Armen 28, 29 wenigstens eine Meßstelle 4 vorgesehen, die zwei
Dehnungsmeßstreifen 40 umfaßt, die wie die Dehnungsmeßstreifen 60 zuein
ander und zur Längsachse 8 der zentralen Einspannhülse 7 ausgerichtet sind.
Vorzugsweise sind jeweils immer wenigstens zwei Paar Dehnungsmeßstreifen
40, 50, 50a, 60 so angeordnet, daß eine Wheatstonesche Meßbrücke aus
bildbar ist.
Zur maximalen bzw. vollständigen Entkopplung von Einflüssen der von der
Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung auf eine Meßstelle 5 der vom
Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspannungen wird erfindungs
gemäß die Meßstelle 5, 5a für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung durch mechanische Mittel von einem Einfluß der von der
axialen Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung entkoppelt.
Nach Fig. 1 wird die mechanische Entkopplung insbesondere durch in die
zentrale Einspannhülse 7 eingebrachte Entlastungsschlitze 9, 10 bzw. Entla
stungsausnehmungen 11, 12 erreicht. Die Entlastungsschlitze 9, 10 sind auf
der zentralen Einspannhülse 7 quer zur Längsachse 8 der Einspannhülse 7
eingebracht. Die Länge der Entlastungsschlitze 9, 10 ist bevorzugt größer als
ihr Abstand voneinander, vorzugsweise eineinhalbmal so groß, insbesondere
doppelt so groß wie ihr Abstand voneinander. Durch die Entlastungsschlitze
9, 10 wird, wie schematisiert und ausschnittsweise vergrößert in Fig. 2 mit
einem abgewickelten Ausschnitt einer auf der zentralen Einspannhülse 7 nach
Fig. 1 angeordneten Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK ab
hängige Torsionsspannung dargestellt, ein stegförmiger Abschnitt 13, auch als
Steg 13 bezeichnet, gebildet, auf dem mittig die Meßstelle 5 mit den Deh
nungsmeßstreifen 50 angeordnet ist. Die Entlastungsschlitze 9, 10 heben die
Spannungsverläufe in der zylindrischen Einspannhülse 7 wenigstens teilweise
auf bzw. kanalisieren diese. Insbesondere eine Stauchung (Druckspannung)
der zentralen Einspannhülse 7 durch die axiale Vorspannkraft FV wird durch
die Entlastungsschlitze 9, 10 maximal bzw. vollständig im Bereich der
Meßstelle 5 aufgefangen. Eine Scherung (Torsionsspannung) der zylindrischen
Oberfläche der zentralen Einspannhülse 7 durch eine Umfangskraft MK/R,
in Fig. 2 überproportional dargestellt und zusätzlich mittels einer gestri
chelten Linie gekennzeichnet, wird maximal bzw. vollständig auf den Steg
13 und damit ungemindert auf die dort angeordneten Dehnungsmeßstreifen
50 übertragen. Ein Übersprechen der Vorspannkraft FV in die Meßstelle 5
für das Kopfreibungsmoment MK wird so zuverlässig ausgeschaltet.
Angriffspunkte bzw. Wirkrichtungen der Kräfte und Momente, insbesondere
FV, MA und MK, sind in den Fig. 1 bis 9 schematisch durch Pfeile
gekennzeichnet.
Fig. 3 zeigt, wie die Meßstellen 5 und 6 auf der zentralen Einspannhülse
7 vorzugsweise angeordnet sein können. Darin ist schematisiert ein insgesamt
abgewickelter Abschnitt der zentralen Einspannhülse 7 nach Fig. 1 mit
wechselnd angeordneten Meßstellen 5, 6 für die vom Kopfreibungsmoment
MK abhängige Torsionsspannung und von der Vorspannkraft FV abhängige
Druckspannung dargestellt. Vorzugsweise werden je zwei gleichartige Meß
stellen 5, 6 um jeweils 180° gegeneinander versetzt auf dem Umfang der
zentralen Einspannhülse 7 angeordnet. Während auf die Meßstelle 6 die von
der Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung ungemindert wirken kann,
ist die Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Tor
sionsspannung durch die Entlastungsschlitze 9, 10 hinsichtlich der Vorspann
kraft FV entlastet. Die Scherung (Torsionsspannung) in der Einspannhülse 7
wird unvermindert auf den Steg 13 zwischen den Entlastungsschlitzen 9, 10
und damit auf die Meßstelle 5 übertragen. Da der durch die Entlastungs
schlitze 9, 10 bestimmte Anteil des Gesamtquerschnittes nicht mehr zum
Tragen der Vorspannkraft FV zur Verfügung steht, ist bei dieser und den
folgenden Ausgestaltungen nach der Erfindung die Wandstärke D der zen
tralen Einspannhülse 7 entsprechend so ausgelegt, daß eine Überlastung ver
mieden ist. Um die Torsionsverformung an der Meßstelle 5 für das Kopf
reibungsmoment MK gegenüber Ausführungen nach dem Stand der Technik
zu vergrößern, wird erfindungsgemäß bevorzugt die Wandstärke D im
Bereich des Steges 13 gezielt auf eine Wandstärke d vermindert. Dies ist
auch deshalb möglich, weil an dieser Stelle eben keine Belastung durch die
Vorspannkraft FV auftritt. Eine solche Verminderung der Wandstärke D kann
beispielsweise durch Fräsen, Schleifen oder funkenerosives Abtragen erfolgen,
so daß im Bereich des Steges 13 bzw. der Meßstelle 5 für die vom Kopf
reibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung eine Abflachung der im
übrigen zylindrischen Einspannhülse 7 oder sogar eine Tasche entsteht. Die
Entlastungsschlitze 9, 10 sind beispielsweise ebenfalls durch Fräsen oder
funkenerosives Sägen herstellbar.
In Fig. 4 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfin
dung dargestellt. Zur mechanischen Entkopplung der Meßstelle 5 für die
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung von der von der
Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung dient hier, wie dargestellt,
wenigstens ein Entlastungsschlitz 9. Zur gezielten Übertragung der Scherung
(Torsionsspannung) auf den Steg 13 dienen zwei dünne Zungen 14, 15, die
bei wechselnder Drehrichtung einer vom Kopfreibungsmoment MK abhängi
gen Torsionsspannung abwechselnd auf Zug und Druck beansprucht werden.
Der Steg 13 für die Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment MK ab
hängige Torsionsspannung wird durch zwei rechteckförmige Entlastungsaus
nehmungen 11, 12 begrenzt, die etwa rechtwinklig zur Längserstreckung des
Entlastungsschlitzes 9 angeordnet sind und die dünnen Zungen 14, 15 bilden.
Die dünnen Zungen 14, 15 sind durch die Entlastungsausnehmungen 11, 12
von den Einflüssen der von der Vorspannkraft FV abhängigen Druckspan
nung maximal befreit. In diesem Ausführungsbeispiel sind die der Meßstelle
5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung zu
gewandten Seitenwandungen der Entlastungsausnehmungen 11, 12 als Geraden
ausgeführt, und die Seitenwandungen bilden dabei den Steg 13, dessen
Wandstärke d im Bereich der Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment
MK abhängige Torsionsspannung geringer ausgeführt ist als die übrige
Wandstärke D der zentralen Einspannhülse 7.
Die Vergrößerung der Torsionsverformung an der Meßstelle 5 für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung kann gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 zusätzlich durch eine lokale Einschnürung
16 im mittleren Bereich des Steges 13, evtl. unter Beibehaltung der Materi
alstärke D erreicht werden, wobei die lokale Einschnürung 16 durch vor
zugsweise halbkreisförmige Erweiterungen im mittleren Bereich der der
Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspan
nung zugewandten Seitenwand der Entlastungsausnehmungen 11, 12 gebildet
wird. Die der Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung abgewandten Seiten erstrecken sich vorzugsweise nicht über
die Länge des Entlastungsschlitzes 9 bzw. 10.
Schließlich ist eine Kombination der bisherigen Ausführungen möglich,
welche allesamt Maßnahmen zur wenigstens teilweisen lokalen Aufhebung
insbesondere der Druckspannungsverläufe in der zentralen Einspannhülse 7
aufzeigen, wobei die Meßstellen 5 und 6 auf der zentralen Einspannhülse 7
angeordnet sind.
In den folgenden Ausführungsbeispielen sind lediglich die Meßstellen 6 zur
Messung einer von der Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung auf der
zentralen Einspannhülse 7 angeordnet.
Fig. 6 zeigt schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse 7 eines Kraft/Moment-Aufnehmers 1, auf der wenig
stens eine Meßstelle 6 für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängige
Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse 17 koaxial
umgeben ist, auf der wenigstens eine Meßstelle 5 für eine vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Torsionsspannung angeordnet ist, welche durch
eine druckelastische torsionssteife Membran 18 entkoppelt ist; die vom Kopf
reibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung wird also auf einer äußeren
Hülse 17 gemessen. Die Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige Torsionsspannung ist dazu von Einflüssen der von der Vorspann
kraft FV abhängigen Druckspannung über wenigstens eine Membran 18
weitgehend entkoppelt.
Die Lagerung bzw. Abstützung der torsions- und druckelastischen zentralen
Einspannhülse 7 erfolgt wie oben zu Fig. 1 beschrieben in einem nicht
dargestellten Gehäuse. Die Messung einer vom Gesamtanzugsmoment MA
abhängigen Biegespannung erfolgt gleichfalls auf den biegeelastischen Armen
28, 29, die einstückig am zweiten, vorzugsweise rechteckförmigen, Flansch
23 der zentralen Einspannhülse 7 angeformt sind. Die äußere Hülse 17 weist
im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 eine topfartige Form auf mit einem
benachbart zur Außenkante 33 ihrer offenen Seite angeformten Innenflansch
24 und einer kreisförmigen Bodenplatte 26 mit einem Loch 27, durch das
sich die zentrale Einspannhülse 7 hindurch erstreckt, so daß bodenseitig die
äußere Hülse 17 über die Bodenplatte 26 am rechteckförmigen Flansch 23
der zentralen Einspannhülse 7 und an ihrer offenen Seite über eine zwischen
den Flanschen 22, 24 angeordnete kreisförmige Membrane 18 druckelastisch
und torsionssteif gehaltert ist.
Der Durchmesser des Lochs 27 in der Bodenplatte 16 ist größer als derjeni
ge der zentralen Einspannhülse 7 und kleiner als die Kantenlänge des
zweiten, vorzugsweise rechteckförmigen, annähernd quadratischen, Flansches
23. An ihrer, den biegeelastischen Armen 28, 29 zugewandten Seite stützt
sich die Bodenplatte 26 der äußeren Hülse 17 am Flansch 23 ab und bildet
im Auflagebereich eine insbesondere spielfreie Verbindung. Über diese Ver
bindung wird die Meßgröße bzw. der Meßwert für die vom Kopfreibungs
moment MK abhängige Torsionsspannung in die Meßstelle 4 für das Ge
samtanzugsmoment MA abgeleitet. Das Gesamtmoment stützt sich also nicht
über die zentrale Einspannhülse 7 ab, sondern wird an ihr vorbei direkt
über die beiden biegeelastischen Arme 28, 29 in das Gehäuse abgeleitet. Im
Bereich der Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung weist die äußere Hülse 17 eine geringere Dicke d auf, als
in dem Bereich, der sich von der Meßstelle 5 für die vom Kopfreibungs
moment MK abhängige Torsionsspannung wegerstreckt.
Schließlich weist die kreisförmige Membrane 18 wenigstens eine umlaufende
Sicke 19 auf, die ein Übersprechen der Vorspannkraft FV in die Meßstelle
5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung weitge
hend minimiert.
Alternativ zu einer Bodenplatte 26 kann, wie in Fig. 7 ersichtlich, eine
zweite druckelastische torsionssteife kreisförmige Membrane 18 zwischen der
äußeren Hülse 17 und Flansch 23 angebracht sein, die sich wie ein Deckel
zwischen einem kreisförmigen, an der äußeren Hülse 17 angeformten,
Innenflansch 25 und dem zweiten Flansch 23 erstreckt.
Eine weitere mechanische Entkopplung der Meßstelle 5 für die vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Torsionsspannung von der von der axialen Vor
spannkraft FV abhängige Druckspannung erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt
durch geeignete Wahl einer geometrischen Anordnung der Meßstelle 5 für
die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung auf der
äußeren Hülse 17, insbesondere durch Wahl einer Länge L des Meßstellen
bereiches 5 auf der äußeren Hülse 17, eines Radius R der äußeren Hülse
17, und einer Stärke d der äußeren Hülse 17 im Bereich der Meßstelle 5
für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung, so daß
der Einfluß von Scherungen (Torsionsspannungen) an den Meßstellen 6 für
die von der Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung auf der inneren
Einspannhülse 7 erheblich minimierbar ist.
Zusätzlich zur Verminderung der Materialdicke D im Bereich der Meßstellen
5 für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung auf der
äußeren Hülse 17 kann die Empfindlichkeit der Meßstellen 5 für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung durch beispielsweise
radiale Bohrungen oder durch Entlastungsschlitze 9, 10 bzw. Entlastungsaus
nehmungen 11, 12 wie in der Beschreibung zu den Fig. 1-5 weiter oben
erörtert wurde, erhöht werden.
Auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 wird die von der Vorspannkraft
FV abhängige Druckspannung auf der zentralen Einspannhülse 7 gemessen.
Schematisiert zeigt Fig. 8 eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse 7 eines Kraft/Moment-Aufnehmers 1, auf der wenig
stens eine Meßstelle 6 für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängige
Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse 17 koaxial
so umgeben ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsions
spannung so über eine druckelastische torsionssteife Membran und über die
äußere Hülse 17 auf zwei Verbindungsarme 31, 32 einwirkt, daß insbesonde
re auf den Seitenflächen der Verbindungsarme 31, 32 in wenigstens einer
Meßstelle 5a eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung
meßbar ist. Die Entkopplung der Meßstellen 5a, 6 voneinander erfolgt über
eine zwischen den Flanschen 22, 24 angeordnete Membrane 18, die eine
umlaufende Sicke 19 hat. Die äußere Hülse 17 ist als beidseitig offener
Zylinder ausgebildet und weist über ihre gesamte Axiallänge eine gleichmä
ßige Materialdicke D auf, d. h. die äußere Hülse 17 dient wie die Mem
brane 18 nur noch zur Übertragung der vom Kopfreibungsmoment MK
abhängigen Torsionsspannung. Am rechteckförmigen Flansch 23 sind zusätz
lich zu den biegeelastischen Armen 28, 29 an den Seitenwänden 34 die
einstückigen Verbindungsarme 31, 32, die sich in ihrer Länge und/oder ihrer
Dicke von den biegeelastischen Armen 28, 29 unterscheiden können, ange
formt. Durch geeignete Festlegung der Länge und der Dicke der Verbin
dungsarme 31, 32 kann die Empfindlichkeit der Meßstelle 5a für die vom
Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung optimal ausgelegt werden.
An ihrer den Verbindungsarmen 31, 32 zugewandten Seite ist die äußere
Hülse 17 mit den Armen 31, 32 des Flansches 23, insbesondere spielfrei,
verbunden, beispielsweise durch Verschrauben und/oder Verschweißen. Die
Dehnungsmeßstreifen 50a in der Meßstelle 5a sind wie die Dehnungsmeß
streifen 40 und 60 zueinander und zur Längsachse 8 der zentralen Einspann
hülse 7 angeordnet. Die Messung des Kopfreibungsmomentes MK erfolgt
somit auf den auf Biegung beanspruchten Verbindungsarmen 31, 32 des
zweiten, vorzugsweise rechteckförmigen, Flansches 23. Das gesamte, beim
Anziehen der Schraubverbindung aufgebrachte Anzugsmoment MA wird
wiederum auf den biegeelastischen Armen 28, 29 in den Meßstellen 4
gemessen und über die biegeelastischen Arme 28, 29 in ein nicht dargestell
tes Gehäuse abgeleitet.
Fig. 9 zeigt schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse 7 eines Kraft/Moment-Aufnehmers 1, auf der wenig
stens eine Meßstelle 6 für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängige
Druckspannung angeordnet ist, und die von einer äußeren Hülse 17 koaxial
umgeben ist, auf der wenigstens eine Meßstelle 5 für eine vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängige Torsionsspannung angeordnet ist, welche durch
wenigstens einen druckelastischen torsionssteifen Balg oder Kompensator 20,
35 mechanisch entkoppelt ist. Dazu weist der Balg oder Kompensator 20,
35 wenigstens eine Welle 21 auf.
Ein erster, an sich bekannter Balg bzw. Kompensator 20 mit wenigstens
einer Welle 21 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 zwischen dem
Flansch 22 und der äußerer Hülse 17 formschlüssig angebracht. Ein zweiter
Balg bzw. Kompensator 35 mit wenigstens einer Welle 21 verbindet die
äußere Hülse 17 über eine Boden 36 mit dem rechteckförmigen Flansch 23.
Die Verbindung erfolgt formschlüssig, wobei die formschlüssige Verbindung
beispielsweise durch Verschrauben, Verklemmen, Verkleben oder Verschwei
ßen hergestellt sein kann. Der erste, vorzugsweise zylindrische, Flansch 22
ist aus Montagegründen in diesem Ausführungsbeispiel nicht einstückig an
die zentrale Einspannhülse 7 angeformt, sondern wird auf die zentrale
Einspannhülse 7 aufgesteckt. Die Steckverbindung kann sowohl lose ausgebil
det als auch beispielsweise verschraubt sein. Zum Messen der vom Kopfrei
bungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung ist auf der äußeren Hülse 17
eine Meßstelle 5 angeordnet.
Fig. 10 zeigt schematisiert eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse 7 eines Kraft/Moment-Aufnehmers 1, auf der wenig
stens eine Meßstelle 5a für eine von der axialen Vorspannkraft FV abhängi
ge Druckspannung angeordnet ist, wobei diese von einer äußeren Hülse 17
koaxial so umgeben ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung so über wenigstens einen druckelastischen torsionssteifen
Balg bzw. Kompensator 20, 35 und über die äußere Hülse 17 auf zwei
Verbindungsarme 31, 32 einwirkt, daß in wenigstens einer Meßstelle 5a eine
vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung meßbar ist.
Ein erster an sich bekannter Balg bzw. Kompensator 20 mit wenigstens
einer Welle 21 ist wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 zwischen dem
ersten Flansch 22 und der äußeren Hülse 17 formschlüssig angebracht. Ein
zweiter Balg bzw. Kompensator 35 mit wenigstens einer Welle 21 verbindet
die äußere Hülse 17 direkt mit am zweiten Flansch 23 einstückig angeform
ten Verbindungsarmen 31, 32. Die Verbindung erfolgt formschlüssig, wobei
die formschlüssige Verbindung beispielsweise durch Verschrauben, Verklem
men, Verkleben oder Verschweißen hergestellt sein kann. Der zylindrische
Flansch 22 ist gleichfalls, wie in Fig. 9 beschrieben, aufsteckbar ausgeführt.
Zum Messen der vom Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspan
nung ist auf den beiden um 180° versetzt angeordneten Verbindungsarmen
31, 32 wenigstens eine Meßstelle 5a, vorzugsweise jeweils eine Meßstelle 5a
zum Messen der vom Kopfreibungsmoment MK abhängigen Biegespannung
angeordnet.
Zu den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 6 bis 10 sei noch ange
merkt, daß insbesondere durch geeignete Gestaltung der zentralen Einspann
hülse 7, der Membran 18, des Balgs bzw. Kompensators 20, 35 und/oder
der äußeren Hülse 17 das Verhältnis des von der Vorspannkraft FV bzw.
Druckspannung abhängige Übersprechsignals (Störgröße) zu dem Meßsignal
(Nutzgröße) für die vom Kopfreibungsmoment MK anhängige Torsions- bzw.
Biegespannung so beeinflußbar ist, daß das Verhältnis hinreichend klein
wird. Zudem ist durch geeignete Gestaltung insbesondere der zentralen
Einspannhülse 7 und der äußeren Hülse 17 das Verhältnis der Meßsignale
(Nutzgrößen) für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsions-
bzw. Biegespannung und für die von der Vorspannkraft FV abhängige
Druckspannung so beeinflußbar, daß beispielsweise in etwa gleich hohe
Meßsignale (Nutzgrößen) erreichbar sind.
Die besonderen Formgebungen eines Kraft/Moment-Aufnehmers 1 nach den
erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen erlauben in vorteilhafter
Weise die Bestimmung des Gesamtanzugsmoments MA, des Kopfreibungsmo
ments MK und der Vorspannkraft FV, wie sie in internationalen Normen
und Hausnormen beispielsweise der wichtigsten Automobilhersteller gefordert
werden. Zudem ist mit einer Meßvorrichtung nach der Erfindung das natur
gemäß schwierig genau zu messende Kopfreibungsmoment MK mit einer
erhöhten Meßgenauigkeit erfaßbar und normgerecht auswertbar. Dadurch ist
auch das Gewindereibungsmoment MG genauer bestimmbar und eine besser
gesicherte Aussage über Qualität und Zuverlässigkeit der Schraubverbindung
2, 3 ermöglicht.
Mittels zusätzlicher Soft- und Hardware können als Ergebnisse Reibungs
koeffizienten, Protokolle und gegebenenfalls Kurven und Tabellen ausgegeben
werden. Schraubenhersteller können so mit vorhandener Software schnell und
ohne Umrüstung verschiedenartige Schraubenbolzen 2 nach unterschiedlichen
Normen prüfen und die Protokolle ihren Kunden mitliefern.
Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für einen Einsatz in der Qualitäts
sicherung, insbesondere in der Automobilindustrie. Überschraubmomente von
selbsthemmenden Muttern 3 sind ein weiteres Anwendungsgebiet, ebenso
Wareneingangskontrolle und Forschung und Entwicklung.
1
Kraft/Moment-Aufnehmer
2
Schraubenbolzen
2
a freie Ende des Schraubenbolzens
2
2
b Kopf des Schraubenbolzens
2
3
Mutter
4
Meßstelle für die vom Gesamtanzugsmoment MA
abhängige
Biegespannung
5
Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige
Torsionsspannung
5
a Meßstelle für die vom Kopfreibungsmoment MK
abhängige
Biegespannung
6
Meßstelle für die von der axialen Vorspannkraft FV
abhängige
Druckspannung
7
zentrale Einspannhülse
8
Längsachse der Einspannhülse
7
9
,
10
Entlastungsschlitz
11
,
12
Entlastungsausnehmung
13
Steg
14
,
15
Zunge
16
Einschnürung
17
äußere Hülse
18
Membran
19
Sicke der Membran
18
20
,
35
Balg bzw. Kompensator
21
Welle des Balgs
20
,
35
bzw. Kompensators
20
,
35
22
erster, vorzugsweise zylindrischer, Flansch der zentralen Ein
spannhülse
7
23
zweiter, vorzugsweise rechteckförmiger, Flansch der zentralen
Einspannhülse
7
24
,
25
Innenflansche der äußeren Hülse
17
26
Bodenplatte
27
Loch
28
,
29
biegeelastische Arme
30
Durchgangsöffnung
31
,
32
Verbindungsarme
33
Außenkante der äußeren Hülse
17
34
Seitenwände des rechteckförmigen Flansches
23
36
Platte
40
Dehnungsmeßstreifen zur Messung einer vom Gesamtanzugs
moment MA
abhängigen Biegespannung
50
Dehnungsmeßstreifen zur Messung einer vom Kopfreibungsmo
ment MK
abhängigen Torsionsspannung
50
a Dehnungsmeßstreifen zur Messung einer vom Kopfreibungsmo
ment MK
abhängigen Biegespannung
60
Dehnungsmeßstreifen zur Messung einer von der axialen Vor
spannkraft FV
abhängigen Druckspannung
Claims (35)
1. Meßvorrichtung zur Bestimmung des Gesamtanzugsmoments MA, des Kopfrei
bungsmoments MK und der Vorspannkraft FV einer angezogenen und in einem
Kraft/Moment-Aufnehmer (1) gehalterten Schraubverbindung (2, 3) durch
Messung folgender resultierender Spannungen:
- - einer vom Gesamtanzugsmoment MA abhängigen Biegespannung über wenigstens eine Meßstelle (4);
- - einer vom Kopfreibungsmoment MK abhängigen Torsionsspannung oder Biegespannung über wenigstens eine Meßstelle (5, 5a); sowie
- - einer von der axialen Vorspannkraft FV abhängigen Druckspannung über wenigstens eine Meßstelle (6);
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kraft/Moment-Aufnehmer (1) eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse (7) mit einer Längsachse (8) aufweist, auf der
wenigstens eine Meßstelle (5) für die vom Kopfreibungsmoment MK abhängige
Torsionsspannung und wenigstens eine Meßstelle (6) für die von der axialen
Vorspannkraft FV abhängige Druckspannung angeordnet sind.
3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanischen Mittel zur Entkopplung der Meßstelle (5) wenigstens
teilweise die Druckspannungen in der Einspannhülse (7) aufheben und die
Torsionsspannung kanalisieren.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als
mechanisches Mittel zur Entkopplung der wenigstens einen Meßstelle (5)
wenigstens ein benachbart zu dieser in der zentralen Einspannhülse (7) einge
brachter und sich zu dessen Längsachse (8) quer, annähernd rechtwinklig,
erstreckender Entlastungsschlitz (9) vorgesehen ist.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als
mechanisches Mittel zur Entkopplung der mindestens einen Meßstelle (5)
wenigstens eine benachbart zu dieser in der zentralen Einspannhülse (7) einge
brachte und sich zu dessen Längsachse (8) annähernd parallel erstreckende
rechteckförmige Entlastungsausnehmung (11) vorgesehen ist.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter
Entlastungsschlitz (10) benachbart zur Meßstelle (5) für die vom Kopfreibungs
moment MK abhängige Torsionsspannung vorgesehen ist, welcher annähernd
parallel zum ersten Entlastungsschlitz (9) angeordnet ist, wobei die Länge der
Entlastungsschlitze (9, 10) größer als ihr Abstand voneinander ist, so daß
zwischen den Entlastungsschlitzen (9, 10) ein stegförmiger Abschnitt (13)
ausgebildet ist.
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
stegförmige Abschnitt (13) eine geringere Wandstärke d aufweist als die übrige
Wandstärke D der zentralen Einspannhülse (7).
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Entlastungsschlitz (9) und wenigstens eine
Entlastungsausnehmung (11) annähernd rechtwinklig so zueinander berüh
rungsfrei angeordnet sind, daß dazwischen eine schmale Zunge (14) ausgebil
det ist, die den stegförmigen Abschnitt (13) mit der übrigen Einspannhülse (7)
verbindet.
9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite
Entlastungsausnehmung (12) mit einer zweiten schmalen Zunge (15) gegenüber
der Entlastungsausnehmung (11) angeordnet ist.
10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die der
Meßstelle (5) zugewandten Seiten der Entlastungsausnehmungen (11, 12) als
Geraden ausgebildet sind.
11. Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die der
Meßstelle (5) zugewandten Seiten der Entlastungsausnehmungen (11, 12) so
erweitert ausgebildet sind, daß der stegförmige Abschnitt (13) wenigstens im
Bereich der Meßstelle (5) eine lokale Einschnürung (16) aufweist.
12. Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche
Erweiterung der Entlastungsausnehmungen (11, 12) im mittleren Bereich der
der Meßstelle (5) kreissegmentförmig oder dreieckförmig ausgebildet ist.
13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der zentralen Einspannhülse (7) die Meßstelle (6) und die hiervon
mechanisch entkoppelte Meßstelle (5) wechselnd und gleichmäßig voneinander
beabstandet und unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
14. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kraft/Moment-Aufnehmer (1) eine torsions- und druckelastische zylindrische
zentrale Einspannhülse (7) mit einer Längsachse (8) aufweist, auf der lediglich
die wenigstens eine Meßstelle (6) angeordnet ist und die wenigstens eine
Meßstelle (5) auf einer äußeren Hülse (17), welche die zentrale Einspannhülse
(7) koaxial umschließt, angeordnet ist.
15. Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale
Einspannhülse (7) mit der äußeren Hülse (17) über druckelastische und
torsionssteife Mittel (18, 20, 35) spielfrei verbunden ist, wobei die Mittel (18,
20, 35) ebenso zur zusätzlichen mechanischen Entkopplung der wenigstens
einen Meßstelle (5) von der Meßstelle (6) für die von der axialen Vorspannkraft
FV abhängige Druckspannung dienen.
16. Meßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale
Einspannhülse (7) an ihren Stirnenden Flansche (22, 23) aufweist.
17. Meßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch
(22) zylindrisch ist, während der gegenüberliegende Flansch (23)
rechteckförmig ausgebildet ist.
18. Meßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur
zusätzlichen mechanischen Entkopplung eine kreisförmige Membran (18)
verwendet wird.
19. Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Hülse (17) ein beidseitig offener Zylinder ist, dessen beiden Enden jeweils
einen Innenflansch (24, 25) aufweisen, wobei zwischen sich
gegenüberliegenden Flanschen (22, 24; 23, 25) von zentraler Einspannhülse
(7) und äußerer Hülse (17) jeweils eine kreisförmige Membran (18) so an
geordnet ist, daß die äußere Hülse (17) druckelastisch und torsionssteif an der
zentralen Einspannhülse (7) gehaltert ist.
20. Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Hülse (17) eine topfartige Form aufweist mit einem benachbart zur Außenkante
(33) ihrer offenen Seite angeformten Innenflansch (24) und einer kreisförmigen
Bodenplatte (26) mit einem Loch (27), durch das sich die zentrale
Einspannhülse (7) hindurch erstreckt, so daß bodenseitig die äußere Hülse (17)
über die Bodenplatte (26) am zweiten Flansch (23) der zentralen Einspann
hülse (17) und an ihrer offenen Seite über eine zwischen den sich
gegenüberliegenden Flanschen (22, 24) von zentraler Einspannhülse (7) und
äußerer Hülse (17) angeordnete kreisförmige Membran (18) druckelastisch und
torsionssteif gehaltert ist.
21. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die kreisförmige Membran (18) wenigstens eine umlaufende Sicke (19)
aufweist.
22. Meßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur
zusätzlichen mechanischen Entkopplung wenigstens ein Balg oder
Kompensator (20) vorgesehen ist.
23. Meßvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg oder
Kompensator (20) zwischen dem ersten Flansch (22) und der auf der äußeren
Hülse (17) angeordneten Meßstelle (5) angeordnet ist.
24. Meßvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein
zweiter druckelastischer torsionssteifer Balg oder Kompensator (35)
vorgesehen ist, der zwischen der Meßstelle (5) und einer mit dem zweiten
Flansch (23) verbundenen kreisförmigen Platte (36) angeordnet ist.
25. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bälge oder Kompensatoren (20, 35) wenigstens eine umlaufende Welle
(21) aufweisen.
26. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Hülse (17), die Membran (18), der Balg oder Kompensator (20,
35) und/oder die zentrale Einspannhülse (7) durch bekannte Verbindungstechni
ken, miteinander starr verbindbar sind.
27. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Meßstelle (5) auf einer äußeren Hülse (17) angeordnet
ist, wobei eine mechanische Entkopplung der Meßstelle (5) von der Meßstelle
(6) durch geeignete Wahl einer geometrischen Anordnung der Meßstelle (5) auf
der äußeren Hülse (17) mit einer Länge L des Meßstellenbereiches (5) auf der
äußeren Hülse (17), einem Radius R der äußeren Hülse (17), und einer Stärke d
der äußeren Hülse (17) im Bereich der Meßstelle (5) erfolgt.
28. Meßvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wandstärke d der äußeren Hülse (17) im Bereich der Meßstelle (5) geringer ist
als die übrige Wandstärke D der äußeren Hülse (17).
29. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit der auf der äußeren Hülse (17)
angeordneten wenigstens einen Meßstelle (5) die äußere Hülse (17) zusätzlich
radiale Bohrungen aufweist.
30. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch gekennzeichnet,
daß benachbart zu der auf der äußeren Hülse (17) angeordneten Meßstelle (5)
wenigstens ein Entlastungsschlitz (9, 10) und/oder wenigstens eine
Entlastungsausnehmung (11, 12) vorgesehen ist.
31. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßstelle (6) auf der zentralen Einspannhülse (7) und die hiervon
mechanisch entkoppelte Meßstelle (5) auf der äußeren Hülse (17) zueinander
wechselnd und unter einem Winkel von 90° zueinander, angeordnet sind.
32. Meßvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Hülse (17) über der auf der zentralen Einspannhülse (7) angeordneten
Meßstelle (6) eine Ausnehmung zur Plazierung eines Dehnungsmeßstreifens
(60) in der Meßstelle (6) aufweist.
33. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraft/Moment-Aufnehmer (1) eine torsions- und druckelastische zylindri sche zentrale Einspannhülse (7) mit einer Längsachse (8) aufweist, auf der lediglich die wenigstens eine Meßstelle (6) angeordnet ist, und
die zentrale Einspannhülse (7) an ihrem einen Stirnende einen ersten Flansch (22) und am gegenüberliegenden Stirnende einen zweiten Flansch (23) aufweist,
wobei
am zweiten Flansch (23) zwei diametral angeordnete Verbindungsarme (31, 32) einstückig angeformt sind, an denen eine äußere zylindrische Hülse (17) so angeordnet ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung so über eine druckelastische torsionssteife Membran (18) und/oder wenigstens einen Balg oder Kompensator (20, 35) sowie über die äußere Hülse (17) auf die Verbindungsarme (31, 32) einwirkt, daß auf wenigstens einem Verbindungsarm (31, 32) in wenigstens einer Meßstelle (5a) mit Dehnungsmeßstreifen (50a) eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung meßbar ist.
der Kraft/Moment-Aufnehmer (1) eine torsions- und druckelastische zylindri sche zentrale Einspannhülse (7) mit einer Längsachse (8) aufweist, auf der lediglich die wenigstens eine Meßstelle (6) angeordnet ist, und
die zentrale Einspannhülse (7) an ihrem einen Stirnende einen ersten Flansch (22) und am gegenüberliegenden Stirnende einen zweiten Flansch (23) aufweist,
wobei
am zweiten Flansch (23) zwei diametral angeordnete Verbindungsarme (31, 32) einstückig angeformt sind, an denen eine äußere zylindrische Hülse (17) so angeordnet ist, daß eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Torsionsspannung so über eine druckelastische torsionssteife Membran (18) und/oder wenigstens einen Balg oder Kompensator (20, 35) sowie über die äußere Hülse (17) auf die Verbindungsarme (31, 32) einwirkt, daß auf wenigstens einem Verbindungsarm (31, 32) in wenigstens einer Meßstelle (5a) mit Dehnungsmeßstreifen (50a) eine vom Kopfreibungsmoment MK abhängige Biegespannung meßbar ist.
34. Meßvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Hülse (17) in allen Bereichen eine annähernd gleichmäßige Materialdicke D
aufweist.
35. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet,
daß die zentrale Einspannhülse (7) drehelastisch in einem Gehäuse abgestützt
ist, wobei die Abstützung an einem Stirnende über zwei diametral von der
Einspannhülse (7) abragende biegeelastische Arme (28, 29) erfolgt, auf denen
wenigstens eine Meßstelle (4) mit Dehnungsmeßstreifen (40) für die vom
Gesamtanzugsmoment MA abhängige Biegespannung vorgesehen ist.
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8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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